【摘要】：認(rèn)知無線電是一種對外界環(huán)境具有認(rèn)知能力,可以通過對外界環(huán)境的建模學(xué)習(xí),根據(jù)需要自適應(yīng)的實時調(diào)整相關(guān)工作參數(shù),從而適應(yīng)外部環(huán)境變化的智能無線電技術(shù)。認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的主要目標(biāo)有兩個:其一是任何時間任何地點都能保障的高可靠通信,其二是對頻譜資源的高效利用。傳統(tǒng)的無線MAC層技術(shù)主要是針對固定頻譜分配的無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的,無法滿足認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)動態(tài)頻譜分配的需求。本文以認(rèn)知無線電MAC層頻譜管理的基本功能:頻譜感知、頻譜共享、頻譜接入和頻譜分配為研究出發(fā)點,結(jié)合認(rèn)知無線電MAC層的技術(shù)特征進行相關(guān)算法和協(xié)議的優(yōu)化設(shè)計。主要工作及貢獻(xiàn)如下:1.針對協(xié)作頻譜感知中的本地感知結(jié)果上報碰撞問題,提出了一種基于非競爭上報的MAC協(xié)議。與傳統(tǒng)協(xié)作頻譜感知MAC協(xié)議不同,本章設(shè)計的MAC協(xié)議新增了感知上報接入字段和上報時隙重新分配字段,來實現(xiàn)非競爭的感知結(jié)果上報。為了進一步提升協(xié)議性能,分別以吞吐量最大化和能量效率最大化為目標(biāo),設(shè)計了兩種協(xié)作感知接入控制機制。最后,通過大量的仿真實驗,證明了本章所提出的MAC協(xié)議在吞吐量和能量效率等指標(biāo)上優(yōu)于已有的相關(guān)工作。2.針對分布式認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)下的多用戶頻譜接入問題,提出了一種動態(tài)退避算法。進一步,為了在認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)該算法,提出了一種分布式多信道認(rèn)知MAC協(xié)議。所提出的動態(tài)退避算法綜合考慮了競爭認(rèn)知用戶數(shù),感知空閑信道數(shù)的影響,在初始退避窗口和后續(xù)退避窗口選擇中自動選擇令網(wǎng)絡(luò)期望吞吐量最大化的退避窗口,以提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量,降低信道接入時延�？紤]算法實際應(yīng)用,所提出的分布式多信道認(rèn)知MAC協(xié)議則在其競爭字段嵌入動態(tài)退避算法,以實現(xiàn)競爭字段時長的動態(tài)調(diào)整,減少多用戶接入沖突。仿真實驗結(jié)果表明,與已有協(xié)議相比,本文所提出的認(rèn)知MAC協(xié)議取得了更高的吞吐量和更低的信道接入時延。3.針對基于載波聚合技術(shù)的認(rèn)知無線電多信道網(wǎng)絡(luò)的頻譜分配公平性問題,提出了一種公平多信道分配算法�？紤]所提出算法的實際應(yīng)用,還設(shè)計了一個新的MAC協(xié)議來解決感知和競爭接入的問題。首先,基于Jain’s公平性指標(biāo),以最大化空閑信道使用效率為約束條件,建立了公平多信道分配優(yōu)化問題,并將該問題轉(zhuǎn)化為一個二次整數(shù)規(guī)劃問題。接著,根據(jù)Jain’s公平性指標(biāo)的定義,設(shè)計了一個啟發(fā)式的算法來找到最大化公平性指標(biāo)的信道分配方式。然后,在新設(shè)計的MAC協(xié)議的信道分配字段利用信道分配算法所得到的信道分配方式進行頻譜分配。接下來,對所提出算法和MAC協(xié)議在吞吐量、公平性、信道成功預(yù)約概率、阻塞率等方面的性能進行了分析。仿真實驗結(jié)果表明,與已有MAC協(xié)議相比,本文所提出的算法和MAC協(xié)議在吞吐量和公平性兩個指標(biāo)間取得了很好的折中。4.針對認(rèn)知LTE-A異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)下行跨層干擾問題,提出了一種LTE-A下行部分頻譜共享算法。該算法首先將LTE-A異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的工作頻帶劃分成宏基站專用頻段、共享頻段和家庭基站專用頻段三部分,從而將下行跨層干擾問題轉(zhuǎn)化為共享頻段的下行干擾問題。接著,針對共享頻段的下行干擾問題,結(jié)合認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)頻譜共享技術(shù)中的交織模式和襯底模式,設(shè)計了一種下行混合頻譜共享算法,使得家庭基站能夠根據(jù)接收到的宏基站下行信號干擾強度,動態(tài)選擇對應(yīng)的頻譜共享模式,避免下行跨層干擾,提高共享頻段的頻譜使用效率。此外,考慮異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的實際應(yīng)用,在給定跨層公平約束的條件下,以吞吐量最大化為目標(biāo)構(gòu)建了關(guān)于家庭基站專用頻段占比的優(yōu)化問題,并以全局搜索算法求得了最優(yōu)的家庭基站專用頻段占比。仿真實驗結(jié)果表明,與已有算法相比,本文所提出的的算法提升了的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的總吞吐量。
【學(xué)位授予單位】：華南理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TN925

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本文編號：2595340